第六章复合材料在无人飞机上的应用状态

课

题

第六章复合材料在无人飞机上的应用状态

目的与要求明确复合材料在无人飞机上的应用程度和现状

使用复合材料制造无人机是的该机种具有了特别突出的优势

熟悉全复合材料无人机在未来战争、救灾和特殊环境下的应用特点明确复合材料已经成为制造无人机不可或缺的基础

了解复当前国内外无人机的发展状态、应用领域和主要特点

重点使用复合材料制造无人机是的该机种具有了特别突出的优势

熟悉全复合材料无人机在未来战争、救灾和特殊环境下的应用特点

难点明确复合材料已经成为制造无人机不可或缺的基础

了解复当前国内外无人机的发展状态、应用领域和主要特点

教具

复

习提问明确复合材料在无人飞机上的应用程度和现状

使用复合材料制造无人机是的该机种具有了特别突出的优势

新知识点考查明确复合材料在无人飞机上的应用程度和现状

使用复合材料制造无人机是的该机种具有了特别突出的优势

布置

作业

课堂布置

课后回忆熟悉全复合材料无人机在未来战争、救灾和特殊环境下的应用特点明确复合材料已经成为制造无人机不可或缺的基础

备注教员

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美国RQ-4A全球鹰无人机

MFX-2 “柔性蒙皮”变形无人机

图8 尾翼典型结构切面

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1.概述

小型无人飞机结构的主要功能是保持气动外形及舱室形状，承受飞机气动载荷、

发射回收产生的集中载荷以及机载设备的质量力，为机载设备提供一个良好安装平

台。飞机结构在满足强度、刚度的前提下，还应满足重量轻、成本低、工艺性好等

要求。

小型无人机由于其低风险、低成本及总体尺寸较小的特点，使一些新材料、新

式构型与新型结构设计应用成为可能。利用先进复合材料实现结构/功能一体化、采

用夹芯壁板的硬壳式结构，减少机体内部骨架支持的结构形式，可以提高机体内可用

空间，增大设备空间、油量，同时降低结构重量系数，另外，整体壁板的结构形式，

便于实现复合材料结构/功能一体化。复合材料优良的性能、显著的减重效益及良好

的整体成型工艺性，为小型无人机减轻重量和降低制造成本提供了更大的可能性，

使其逐渐成为了小型无人飞机的主体材料。

2.小型无人机新型结构型式

2.1.主要结构新型构型与新型结构设计

小型无人机采用泡沫夹层结构等新式构型，泡沫夹层结构重量轻、具有较大的

弯曲刚度和强度。泡沫夹层结构是承载效率较高的结构形式，对于小型无人机，不仅

一般结构可以采用，主要承载结构也可采用，而且，一般情况下，面板采用玻璃纤维

复合材料，就能满足强度要求。

泡沫夹层结构由上下薄复合材料面板、泡沫芯和胶粘剂组成，胶粘剂将面板和

芯材胶接成一个整体，如图 1 所示。（面板主要承受面内拉伸、压缩和面内剪切；

芯材支持面板承受垂直于面板的压缩应力，并能防止面板在侧压载荷下产生屈曲（芯

材承受压缩和剪切载荷）。

泡沫夹层结构薄复合材料面板根据载荷大小可选用玻璃布或碳纤维:

1) 玻璃布成本低，粘接成型工艺性好，可在常温下进行粘接固化，但强度性能

相对要差一些，适用于载荷较小、重量/ 刚度要求较低的部件；

2) 碳纤维成本相对较高，需高温高压固化，热压罐成型，工艺复杂，但碳纤维强度

性能较好，适用于载荷较大、重量/ 刚度要求高的部件。

泡沫芯可选用NOMEX 蜂窝、ROHACELL 泡沫板和硬质聚氨脂泡沫:

1）NOMEX 蜂窝夹芯优点是比强度、比刚度大，价格便宜，工艺方法成熟，

缺点是制造曲板较困难，蜂窝与形面贴合较难，需铣切加工，因蜂窝较软，不易装夹，

加工困难；蜂窝为开畅式结构，蜂窝内易积水等液体，蜂窝与内、外玻璃钢面板胶接

成形后，不易排除，在高空底温环境下结冰，易涨破面板，造成面板脱胶，从而破坏

壁板蒙皮结构；蜂窝与壁板胶接面较小，蜂窝内需预浸一定厚度的胶粘剂，才能保证

胶接强度，蜂窝内预浸的胶粘剂的厚度不容易控制，因此，胶接重量难以控制，这是

蜂窝夹芯结构超重的主要因素之一。

2）在相同密度下，ROHACELL泡沫是强度和刚度最高的泡沫材料。

ROHACELL 泡沫板为闭孔结构，各向同性,平面和横向、法向都有较高的剪切模量，

横向、法向变形小；100%闭孔泡沫，不易受潮和进水；可加温软化成型与面板贴合，

成型性能好；ROHACELL 泡沫板为闭孔结构，低树脂吸收率，而降低树脂吸收率，

在一定程度上会优化夹层结构的重量，减少面板和芯材之间的树脂量，使之与壁板胶

接面大，胶粘剂厚度均匀，从而提高胶接强度。

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图1 泡沫夹层结构典型切面

3）硬质聚氨脂泡沫注射填充在已成型的复合材料层压板蒙皮内，不用加工芯

材外形，结构形式、工艺方法简单，缺点是发泡性能不稳定，注射填充时泡沫芯材密

度不易控制，容易超重，影响结构的重心分布和结构刚度。

2.2.机身新型结构形式

无人机机体结构设计主要是选择合理的结构型式，应力求设计简练、传力合理，

结构重量轻和制造工艺性好,常规布局的机身典型结构型式为梁式结构和壁板式蒙皮

结构（无梁）。

梁式结构是常见的机身结构形式（如图 2 所示），由纵向梁凸缘、蒙皮和横向

框组成,依据载荷情况,在机身截面周圈合理布置四根梁，上、下大梁承受总体弯矩产

生的轴力，蒙皮只受剪，为了维持承载构件的稳定性，设若干框。